Industriële warmte opwekken zonder aardgas of kolen? Duitse onderzoekers zetten een belangrijke stap met een hogetemperatuurwarmtepomp die processtoom tot 160 graden Celsius kan leveren. De technologie kan een cruciale rol spelen bij het verduurzamen van fabrieken, maar de praktijk blijkt zoals wel vaker weerbarstiger dan het laboratorium.
Onderzoekers van het Duitse Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems (ISE) hebben een nieuwe testinstallatie ontwikkeld waarmee ze hogetemperatuurwarmtepompen onder realistische bedrijfsomstandigheden kunnen onderzoeken. De installatie is ontworpen om warmtepompen te testen die processtoom en heet water onder druk produceren bij temperaturen tot 160 graden Celsius.
Dat is belangrijk, omdat veel industriële processen nog afhankelijk zijn van fossiele brandstoffen. Denk aan drogen, reinigen, pasteuriseren en andere productieprocessen waarbij grote hoeveelheden warmte nodig zijn.
160 graden is een belangrijke grens
Gewone warmtepompen zijn vooral geschikt voor het verwarmen van gebouwen. Industriële toepassingen stellen veel hogere eisen aan temperatuur, vermogen en betrouwbaarheid.
Hogetemperatuurwarmtepompen kunnen restwarmte uit bijvoorbeeld productieprocessen opwaarderen tot bruikbare proceswarmte. Daarbij gebruiken ze elektriciteit om warmte te verplaatsen, in plaats van alle benodigde warmte rechtstreeks op te wekken.
Dat kan aanzienlijk efficiënter zijn dan elektrische weerstandverwarming. Hoe groot het voordeel is, hangt vooral af van het temperatuurverschil tussen warmtebron en gewenste procestemperatuur.
Brandbaar butaan als koudemiddel
Binnen het onderzoeksproject FernWP richtten de wetenschappers zich op warmtepompen die butaan als koudemiddel gebruiken.
Butaan beschikt over interessante thermodynamische eigenschappen, maar brengt ook uitdagingen met zich mee. Het gas is brandbaar, waardoor lekdetectie, ventilatie en explosieveiligheid extra aandacht vereisen.
Volgens projectleider Ursula Wittstadt is het bereiken van een hoge temperatuur bovendien niet voldoende. Warmtepompen moeten ook efficiënt blijven wanneer de beschikbare restwarmte, warmtevraag of bedrijfsomstandigheden veranderen. De nieuwe testinstallatie maakt het mogelijk om juist die wisselwerkingen nauwkeurig te meten.
Praktijktest met vijf grote warmtepompen
Fraunhofer ISE onderzocht daarnaast vijf grootschalige warmtepompen in Duitse stadsverwarmingsnetten. Sinds 2023 verzamelen onderzoekers gegevens over hun prestaties. De resultaten zijn veelbelovend: de installaties kunnen betrouwbaar functioneren, mits de regeling, hydraulische aansluiting en bedrijfsstrategie goed zijn ontworpen.
Wel ontdekten onderzoekers een belangrijk knelpunt. Bij systemen die warmte uit stromend oppervlaktewater halen, daalde het thermische vermogen wanneer de watertemperatuur onder ongeveer 6 graden Celsius kwam. Ook wisselende elektriciteitsprijzen en warmtevraag maken de aansturing ingewikkelder. Warmtepompen moeten daardoor vaker opstarten en uitschakelen.
Wat betekent dit voor de Nederlandse industrie?
Voor Nederlandse bedrijven in bijvoorbeeld de voedingsmiddelen-, papier- en chemische industrie is deze ontwikkeling relevant. Vooral processen die warmte tot circa 160 graden vereisen, komen mogelijk in aanmerking voor elektrificatie.
Toch betekent het onderzoek niet dat industriële gasketels onmiddellijk vervangen kunnen worden. De beschikbaarheid van restwarmte, elektriciteitsprijzen, netcapaciteit en investeringskosten bepalen of een hogetemperatuurwarmtepomp economisch aantrekkelijk is.
De belangrijkste doorbraak zit daarom niet alleen in de temperatuur van 160 graden, maar vooral in het beter begrijpen hoe industriële warmtepompen betrouwbaar en efficiënt kunnen functioneren. Daarmee komt grootschalige elektrificatie van industriële proceswarmte een stap dichterbij.
